KR20060021850A - 축방향으로 정렬된 고정자 극 및/또는 회전자 극을 갖는제너레이터 - Google Patents

Abstract

역학-전기변환 제너레이터는 회전축 주위를 환형 고리 배열로 배치된 복수의 영구 자석 요소를 갖는 회전자를 포함하며, 상기 자석 요소는 내부 환형 표면을 따라 자기 극성이 연속적으로 교대하고, 고정자는 방사상 에어 갭에 의해 회전자로부터 떨어져 있다. 고정자는 그 위에 권선된 개별 코일 권선을 가지는 복수의 자기 코어 절편을 포함하여 고정자 권선을 형성하며, 상기 코어 절편은 서로 직접적 접촉으로부터 분리되어 방사상 에어 갭을 따라 배치된다. 각각의 고정자 절편은 서로 회전축에 평행인 방향으로 정렬된 복수의 극을 포함한다. 따라서, 고정자는 방사상 정렬된 복수 세트의 고정자 극을 포함하며, 상기 세트는 서로 축방향으로 변위된다.

Description

축방향으로 정렬된 고정자 극 및/또는 회전자 극을 갖는 제너레이터 {GENERATOR HAVING AXIALLY ALIGNED STATOR POLES AND/OR ROTOR POLES}

관련 출원

본 출원은 2001. 10. 1. 출원한 계류중인 미국 출원 번호 09/966,101 의 일부 연속 출원이다.

본 출원은 2003. 5. 19. 출원한 Maslov 의 계류중인 미국 출원 10/440,118 뿐만 아니라, 둘 다 본 출원과 함께 공동 양도된 2001. 4. 5. 출원한 Maslov 등의 계류중인 미국 출원 09/826,423 및 2001. 4. 5. 출원한 Maslov 등의 계류중인 미국 출원 09/826,422 에 관련된 요지를 포함하는 것이다. 이들 출원의 개시사항은 여기에서의 참조로 본원 발명에 통합된다.

본 발명의 분야

본 발명은 회전형 역학-전기변환 (dynamoelectric) 기계, 보다 구체적으로는 회전축에 평행인 방향으로 정렬된 복수의 극을 포함하는 복수의 회전자 (rotor) 요소 및 고정자 (stator) 요소를 갖는 기계에 관한 것이다.

모터 제어를 위한 마이크로콘트롤러 및 마이크로프로세서 기반 적용과 같은 전자 시스템의 진보적 개선 뿐만 아니라 향상된 휴대용 전원의 이용가능성으로 차 량용의 효율적인 전기 모터 구동장치가 강제적인 규제 대상인 연소 엔진에 대한 실용적 대안으로 개발되어 왔다. 모터 권선의 전기적으로 제어되는 펄스형 여자 (energization) 는 모터 특성에 대해 보다 유연한 관리 가능성을 제공한다. 펄스 폭, 듀티 (duty) 사이클 및 적절한 고정자 권선으로 스위치되는 전지 전원의 인가를 제어함으로써, 교류 동기식 모터 작동과 실제로 구별할 수 없는 기능적 다양성을 달성할 수 있다. 이러한 권선과 함께 영구 자석을 사용하는 것은 제한된 전류 소비에 있어 유리하다.

상기 나타낸 Maslov 등의 계류중인 관련 미국 특허 출원 09/826,423 은 제작을 단순화시키기 쉽고, 효율적이고 유연한 작동 특성이 가능한 향상된 모터의 필요성을 확인하고 제기한다. 차량 구동 환경에서는, 최소 전력 소비로 높은 토크 출력 능력을 유지하면서 넓은 속도 범위에 걸쳐 원활한 작동성을 획득하는 것이 매우 바람직하다. 이러한 차량 모터 구동은 유리하게는 최소의 불편함으로 부품 교체를 위한 다양한 구조적 성분에 용이한 접근성을 제공해야 한다. 상기 계류중인 관련 미국 출원은 전자석 극 (pole) 을 환상 고리에 배치된 단리된 투자성 구조로서 방사 방향으로 비교적 얇게 도입하여 유리한 효과를 제공한다. 이러한 배열로, 선행 기술의 구현예와 비교하여, 실제로 손실되거나 전자석 코어에서의 해로운 변압기 간섭 효과 없이 플럭스가 집중될 수 있다. 토크 특성 및 효율의 향상은 나타낸 계류중인 출원의 구조로 획득가능하지만, 추가 향상이 여전히 요망된다.

이러한 목적을 위해, 상기 나타낸 Maslov 등의 계류중인 관련 미국 특허 출원 09/826,423 은 자석의 등급, 상기 자석 등급의 에너지 밀도 및 전체적 자기 특 성, 자석이 회전자의 일부인 경우 자석의 유효 작업 투자도 (permeance) 및 전체적 작동 조건을 조정할 수 있는 자석의 크기 및 치수, 자석의 온도 안정성, 목적하는 적용을 위한 자석의 제작시 취해지는 마감, 코팅 및 포스트 가공 단계, 자석의 각좌표 표면에 걸친 자기화의 안정성, 자석의 방사상 분극화의 균일성, 두 분리 자석 사이의 인접 갭, 자석 가장자리의 기계적 특징 및 후방 아이언 (iron) 고리 구획에 의해 제공되는 자석의 복귀 플럭스 경로와 같은 회전자 매개변수의 최적화를 추구한다.

Maslov 등의 출원은 전자석 그룹의 단리 (isolation) 가 실제로 플럭스 손실이나 다른 전자석 멤버와의 해로운 변압기 간섭 효과 없이, 자기 코어 내에서 플럭스를 개별 집중시킬 수 있음을 인지하였다. 단일 극쌍 (pole pair) 을 단리된 전자석 그룹으로 배치함으로써, 작동상 이점을 획득할 수 있다. 다른 극쌍으로부터 개별 극쌍의 자기 경로 단리는 극쌍 권선의 여자가 스위치되는 경우, 인접 그룹 상의 플럭스 변압기 효과를 없앤다. 그룹 내 추가 극의 부재는 그룹 내에서 이러한 효과를 없앤다.

상술된 노력으로 상당한 개선이 유도되었으나, 모터 구조의 3 차원적 측면을 이용하여 얻어질 잠재적 이득은 완전히 이해되지 않은 것으로 나타났다. 계류중인 출원의 모터에 있어서, 모든 고정자 및 회전자 극은 회전축 주위에 원주상으로 위치하며, 축 방향으로 동연 (coextensive) 한다. 주어진 에어 갭 지름에 대해, 극쌍의 수의 2 배인 극의 전체 수는 실제 물리적 가능출력에 의해 제한된다. 따라서 회전자 및 고정자 사이의 플럭스 상호작용을 생성하는 개별 극의 최적 활성 표면적 뿐만 아니라 이러한 상호작용을 생성하는 극의 수가 결정된다. 플럭스 분포가 보다 고집중되지만, 동일한 개별 활성 에어 갭 표면적으로 더 많은 수의 극을 및/또는 동일한 에어 갭 지름으로 모터에 대해 더 큰 전체 활성 에어 갭 표면적을 제공하는 구조적 배열이 더 큰 성능을 수득하기 위해 매우 바람직할 것이다. 이러한 3 차원적 구조 배열은 제너레이터에 매우 유익할 것이다.

본 발명은 선행 기술의 상술된 요구를 연장시켜, 상기 나타낸 Maslov 등의 출원에 개시된 단리된 개별 극쌍 배열과 같은 배치에 대해 추가적 이점을 제공한다.

본 발명의 이점은 적어도 부분적으로는 모터 또는 제너레이터의 축 방향에 따라 고정자 및 회전자 극 사이의 방사상 플럭스 분포 상호작용을 연장시켜 달성된다.

본 발명의 추가적 이점은 연성 투자성 매질이 다양한 특정 모양으로 형성될 수 있는 물질의 이용으로 실현될 수 있다. 예를 들어, 코어 물질은 각각이 독특한 전력 손실, 투과도 및 포과 수준을 갖는 연자석 등급의 Fe, SiFe, SiFeCo, SiFeP 분말 물질로 제작될 수 있다. 고정자 요소의 코어 기하형태 및 코어 치수와 관련 공차는 적층을 형성할 필요가 없이 형성되며, 따라서 고정자 전자석 및 회전자 영구 자석의 커플링된 극 사이에 발생하는 자기 전위 구배를 최적화시킬 수 있다.

상기 언급된 이점은 적어도 부분적으로는 모터 또는 제너레이터가 각각 환형 고리 배열로 배치되고 서로 환형 에어 갭에 의해 떨어져 있는 회전자 및 고정자를 포함하는 본 발명의 구조적 특징으로 명백해진다. 고정자는 그 위에 권선된 코일을 갖는 복수의 투자성 코어 절편을 포함하며, 상기 코어 절편은 서로 직접적 접촉으로부터 분리되어 방사상 에어 갭을 따라 배치되어 있다. 각각의 고정자 절편은 서로 회전축에 평행인 방향으로 정렬된 극쌍을 포함한다. 따라서 고정자는 두 세트의 축방향으로 배치된 극을 가지며, 각 세트의 극은 축방향으로 정렬된다. 따라서 각각의 코어 절편 극쌍은 다른 세트의 대응 극과 구조적으로 연결된 한 세트의 극을 포함한다. 상기 배열에 있어서, 극쌍의 전체수는 세트 내 극의 수와 같은 수이다. 바람직하게는, 각 고정자 코어 절편의 극은 연결부에 의해 접합된다. 고정자 권선은 연결부 상에 형성될 수 있고, 이에 의해 권선으로의 전류 인가는 극쌍내 반대 자기 극성을 일으킨다. 대안적으로, 권선은 고정자 극쌍의 대응 극 상에서 서로 반대 방향으로 각각 권선되고, 직렬로 또는 병렬로 연결될 수 있는 두 세트의 코일을 포함할 수 있어서, 연결된 코일 세트로의 전류 인가는 고정자 코어 절편의 극을 반대 자기 극성으로 자기화시킨다. 두 방안 모두에서, 권선에 인가된 전류의 역전은 고정자 극의 자기 극성을 역전시킬 것이다.

회전자는 바람직하게는 그 내부 환형 표면을 따라 자기 극성이 연속적으로 교대하는 복수의 영구 자석 요소를 포함한다. 각각의 회전자 요소는 회전축에 평행인 방향으로 에어 갭에서 서로 정렬된 극쌍을 포함하며, 상기 극은 반대 자기 극성을 갖는다. 따라서, 회전자는 또한 각 세트의 극이 축방향으로 정렬된, 두 세트의 축방향으로 배치된 극을 갖는다. 회전자 극 세트는 바람직하게는 축방향으로 동연하고, 대응하는 고정자 극 세트와 축방향으로 정렬된다.

본 발명의 또다른 이점은 에어 갭을 통해 방사상 방향으로의 자기 플럭스 지향 (orientation) 을 증강시키도록 배치된 회전자 구조에 기인할 수 있다. 예를 들어, 각각의 회전자 극은 그 내부 극 표면에서는 에어 갭에서 하나의 자기 극성을 나타내고, 그 외부 극 표면에서는 반대 자기 극성을 나타내도록 자기화되어, 방사상 방향으로 자기 플럭스를 집중시킬 수 있다. 회전자 요소는 서로 인접하여 강자성 환형 후방 플레이트 상에 장착될 수 있다. 바람직하게는 회전자 요소는 서로 직접 접촉하지 않아서, 자기 경로의 단리를 증강시킨다. 대안적으로, 각각의 회전자 자기 요소는 축 방향을 따라 연장된 투자성 구획을 자기 후방 플레이트로서 더 포함할 수 있고, 회전자 요소의 각 극은 후방 플레이트의 개별 축 말단에서 장착된다. 상기 배열로, 연속적 자기 환형 후방 플레이트보다는 개별 후방 플레이트부가 각각의 회전자 요소에 대해 제공되어, 스트레이 (stray) 플럭스 분포가 회피된다. 어느 구현예에 있어서도, 비강자성 환형 후방 플레이트가 제공되어 회전자 요소를 둘러싼다.

또다른 바람직한 구현예에 있어서, 각각의 회전자 영구 자기 요소는 요소의 극부 (pole portions) 사이에 추가 자석부를 더 포함하며, 상기 추가 자기부는 축 방향으로 요소의 극부 사이로 플럭스를 지향하여 활성 플럭스 분포 패턴을 향상시킨다.

본 발명의 추가적 이점은 본 발명의 바람직한 구현예만을 단순히 본 발명을 수행하기 위한 최적 방식의 예로서 나타내고 설명한 하기 상세한 설명으로부터 당업자에게 쉽게 자명해질 것이다. 인식될 바와 같이, 본 발명은 다른 상이한 구현예가 가능하며, 그 여러 세부사항은 모두 본 발명에서 벗어나지 않고 다양하고 자명한 측면으로 변경될 수 있다. 따라서, 도면 및 설명은 제한적이 아니라 예시적인 성질로서 간주되어야 한다.

본 발명은 제한을 위해서가 아니라 예로서, 첨부되는 도면의 도로 예시되며, 동일한 참조 번호는 동일한 요소를 나타낸다:

도 1 은 본 발명에 따른 모터 또는 제너레이터의 부분 3 차원 구획도이다.

도 2 는 코일이 절편 극을 연결하는 연결부 주위에 권선된 도 1 의 기계의 고정자 코어 절편의 사시도이다.

도 3 은 코일이 고정자 극 주위에 권선된 본 발명의 고정자 코어 절편의 사시도이다.

도 4a 및 4b 는 축방향으로 정렬된 극쌍이 구조적으로 분리된 본 발명의 회전자의 사시도이다.

도 5a 및 5b 는 축방향으로 자기화된 영구 자석이 축방향으로 정렬된 회전자 극쌍 사이에 위치하는 본 발명의 회전자의 사시도이다.

도 6a-6d 는 축방향 회전자 자석 단위의 개별 변형에 대한 다양한 플럭스 분포 패턴을 나타내는 도면이다.

도 7 은, 예를 들어 풍력 제너레이터에서 사용될 수 있는 본 발명에 따른 제너레이터의 단면에서 본 모식도이다.

본 발명의 모터는 자동차, 모터사이클, 자전거 등 차량 바퀴의 구동에 이용하기 적합하다. 따라서 도면은 차량 바퀴 내에 장착될 수 있는 모터 구조를 도시하며, 고정자는 고정축으로 단단히 장착되고 바퀴 구동용 회전자에 의해 둘러싸인다. 그러나, 차량 내부사항은 본 발명의 모터가 사용될 수 있는 여러 특정 적용의 단순한 예임이 이해되어야 한다.

도 1 의 절단 도면에 나타내는 바와 같이, 모터 (10) 는 방사상 에어 갭에 의해 분리되는 환형 영구 자석 회전자 (20) 및 환형 고정자 구조 (30) 를 포함한다. 고정자는 복수의 강자기적으로 단리된 (isolated) 요소를 포함한다. 투자성 물질로 제조되고 서로 직접적인 접촉으로부터 단리된 코어 절편 (32) 은 그 위에 개별 권선 (34) 을 갖는다. 회전자는 에어 갭 주위에 원주상으로 분포되고, 알루미늄 또는 다른 비투자성 물질로 형성될 수 있는 비자기 환형 후방 플레이트 (24) 에 고정된 복수의 영구 자석 (22) 을 포함한다. 회전자 자석에 의해 생성되는 플럭스 분포는 회전자 자석의 후방에 장착된 투자성 요소를 제공함으로써 더욱 증강될 수 있다. 도 1 의 구현예에는 나타내지 않았지만, 회전자 자석에 대한 추가적 환형 강자성 후방층이 다른 도에 예시된다.

원통상 환형 회전자 구조 내에서, 고정자 코어 절편은 두 개의 플레이트 (42) 에 의해 단단히 고정되며, 그 중 하나만 도면에 나타낸다. 각 플레이트는 그 중심에 내부 지름을 형성하는 원형 컷아웃부 및 외부 지름을 갖는 강성 원형 배열을 갖는다. 내부 지름은 고정축 (44) 에 맞고, 축과 통합된 멤버 (46) 에 고정되는 크기이다. 플레이트 주변을 따라, 플레이트에는 나타내지 않았으나 고정자 코 어 절편에서 구멍 (48) 을 통해 대응부와 메이팅하도록 적절히 떨어져 있는 구멍이 제공된다. 각각의 플레이트는 축에 고정되고, 서로 메이팅 구멍을 통해 이들의 각 축측에서 고정자 코어 절편에 고정되고 이를 샌드위치하도록 적절히 떨어져 있다. 따라서, 환형 고리는 회전자로부터 에어 갭을 통해 축 방향으로 동연하게 (coextensively; 같이 연장되게) 정렬된 고정자 코어 절편으로 형성된다.

고정 축, 플레이트 및 고정자 구조는 환형 회전자 후방 플레이트 및 영구 자석이 부착되는 하우징 (50) 내에 포함된다. 하우징은 적절한 부싱 및 베어링을 통해 플레이트의 외부측상에서 축에 저널링된다. 당분야에 널리 공지된 임의의 적절한 수단이 다양한 요소의 조립에 사용될 수 있음이 이해되어야 한다. 차량예에 있어서, 하우징은 축 주위에서 회전자와 회전하는 차량 바퀴의 일부를 형성할 수 있다. 플레이트의 구체적 배열은 단순히 예로서 상술되었으며, 축에 고정자의 일부를 고정하면서 환형 배열을 형성하는 임의 수단이 적절할 것이다.

고정자의 코어 절편을 도 2 에서 보다 상세히 나타낸다. 코어 절편은 고정자 코일 (34) 이 주위에 권선되고, 연결부 (36) 에 의해 축 방향으로 접합된 두 개의 극 (35) 을 포함하는 단일 자기 구조이다. 극은 단면적이 에어 갭을 향해 방사상 방향으로 증가하여 확대된 극면 표면 (37) 에서 최고를 형성하는 테이퍼상 배열을 갖는다. 상기 배열은 코어에서 플럭스의 집중을 최적화하여, 최대 플럭스가 에어 갭을 가로질러 방향성을 가질 수 있다. 예시된 코어 기하구조 뿐만 아니라 이들의 변형은 연자석 등급, 예를 들어 Fe, SiFe, SiFeCo, 또는 SiFeP 분말 물질로부터 분말 금속 기술을 이용하여 형성될 수 있다. 분말 금속 기술은 스태킹된 금속 적층물의 종래 형성에서는 얻을 수 없는 유연한 구축적 디자인을 제공한다. 종래에는 적층된 코어를 사용해서 발생했던 와상 전류 손실이, 분말 금속 물질의 공지된 높은 전기 저항에 따라 적절한 분말 금속 물질 조성을 선택함으로써 최소화된다.

고정자 권선 (34) 의 여자는 극면 (37) 에서 반대 자기 극성으로 코어 구획 (32) 의 자기화를 가져온다. 전류 방향의 역전은 공지된 방식으로 자기 극성의 역전을 일으킨다. 고정자 코어의 축 방향 성분이 본 발명에서 더 크므로, 선행 배열에서의 에어 갭 주위에 원주상으로가 아닌 축 방향으로의 각각의 극쌍의 정렬은 2 배의 고정자 극 수를 제공하며, 각각은 동일한 표면적을 갖는다. 따라서, 완전한 고정자는 코어 요소의 연결부에 의해 서로 축방향으로 변위된 축방향으로 동연하는 두 세트의 극을 포함한다.

도 3 은 도 2 에 나타낸 고정자 코어 절편의 변형을 나타낸다. 코어 절편 (32) 은 각각 코일 (34) 이 권선된 보빈형 극 구획 (pole section) 을 포함한다. 극 구획은 에어 갭에서 확대된 극면 표면 (37) 을 가지며, 비교적 편평한 연결부 (36) 에 의해 반대 에어 갭에서 말단이 접합된다. 극 구획, 극면 및 연결부는 단일 구축물로서, 바람직하게는 분말 금속 물질로 형성된다. 극쌍의 각 극은 반대로 권선되어, 극면 (37) 에서 반대 자기 극성을 제공한다. 두 권선부는 목적하는 성능 특성에 따라 직렬로 또는 병렬로 연결될 수 있다. 권선부는 적절히 전기적으로 연결되어, 권선으로의 여자 전류 인가는 코어 절편의 극에 반대 자기화 극성을 일으킨다. 전류의 역전은 공지된 방식으로 자기 극성을 역전시킬 것이다.

회전자 (20) 는 도 4a 및 4b 에 보다 상세히 예시된다. 도 4a 는 그 위에 개별 영구 자석이 장착된 연속적 자기 환형 후방 플레이트 (25) 를 나타낸다. 자석은 축방향으로 동연하는 자석 (22a) 의 제 1 링 및 축방향으로 동연하는 자석 (22b) 의 제 2 링을 형성한다. 각각의 자석은 방사상 방향으로 북-남 자기화 배향을 가지며, 에어 갭을 마주하는 표면에서의 극성은 후방 플레이트 (25) 와 접촉하는 표면의 극성과 반대이다. 각 고리의 자석은 자기 극성이 연속적으로 교대한다. 자석 (22a) 은 원주 방향으로 자석 (22b) 과 동연하며, 서로 근처에 있는 자석은 반대 극성이다. 자석 (22a) 의 고리 및 자석 (22b) 의 고리 사이 공간은 반드시 똑같지는 않아도 고정자 극쌍 표면 사이의 공간과 관련된다. 각각의 고리 내 자석 사이의 공간은 균일하며, 주변 고정자 코어 요소의 극 표면 사이 공간과 관련된다. 개별 자석은 고정자 극의 표면적과 관련될 수 있는 균일한 표면적을 갖는다. 따라서, 각각 축방향으로 인접한 자석 (22a) 및 (22b) 의 쌍은 고정자 코어 요소 극쌍과 상호작용하여 모터 회전을 일으키는 회전자 영구 자석 극쌍으로 간주될 수 있다. 상기 상호작용은 후방 아이언에서 플럭스의 포화를 방지하면서 에어 갭 내 유효 플럭스 밀도의 유의미한 증가를 야기할 것이다.

도 4b 에 나타낸 배열에 있어서, 자기 환형 후방 플레이트 (25) 는 스트립 (27) 으로 절편화된다. 각각의 스트립에는 축방향으로 정렬된 영구 자석 쌍이 부착된다. 스트립 사이의 공간은 각각의 개별 영구 자석 쌍에 대해 향상된 자기 플럭스 분포를 제공한다. 각각의 축방향 자기 단위는 구조적으로 접합되지 않으므로, 접합 단위 사이의 스트레이 플럭스 및 간섭 또는 크로스토크 (cross-talk) 의 직접적 손실은 최소화된다.

도 5a 및 5b 는 본 발명의 회전자의 변형을 나타낸다. 도 5a 의 회전자 배열에 있어서, 축방향으로 자기화된 영구 자석 (26) 은 축방향으로 정렬된 회전자 쌍 자석 (22a) 및 (22b) 사이에 위치한다. 자석 (22a) 및 (22b) 의 남-북 자기화 배향은 방사상 방향이다. 이러한 구조는 자석 (22a) 및 (22b) 가 각각 자석 (26) 의 한 말단과 접촉하여 개별 회전자 축 단위를 형성하는 반면 도 4a 의 자석 (22a) 및 (22b) 는 서로 분리되어 있다는 점에서, 도 4a 의 회전자와 상이하다. 자석 (26) 은 축 방향으로 자기화되어, 자석 (22a) 및 (22b) 사이의 플럭스 집중을 보조한다. 도 4a 에 보이는 바와 같이, 자기 환형 후방 플레이트 (25) 는 연속적이다. 도 5b 의 회전자 배열에 있어서, 자기 환형 후방 플레이트 (25) 는 절편화되어 있다. 그 위에 회전자 축 단위가 장착되는 각각의 후방 플레이트 스트립 (27) 은 인접 스트립으로부터 분리되어 플럭스 분포를 향상시킨다.

다양한 플럭스 분포 패턴을 도 6a-6d 에 나타낸다. 도 6a 및 6b 의 플럭스 분포는 영구 자석이 비강자성 후방 플레이트 (24) (도시하지 않음) 와 직접 접촉하는 회전자 배열에 해당한다. 도 6a 는 비강자성 후방 플레이트에 직접 장착된 반대 자기 극성의 떨어져 있는 개별 영구 자석에 대한 플럭스 분포 패턴을 나타낸다. 도 6b 는 축방향으로 자기화된 자석이 방사상 자기 배향을 갖는 반대 자기 극성의 자석 사이에 샌드위치된 3 개 자석 축 단위에 대한 플럭스 분포 패턴을 나타낸다. 도 6c 는 도 4a 및 4b 의 배열과 같이 반대 극성의 개별 영구 자석이 서로 떨어져 있는 자기 후방 아이언 부분에 장착된 회전자 배열에 대한 플럭스 분포 패턴을 나 타낸다. 도 6d 는 도 5a 및 5b 의 배열과 같이 3 개 자석 축 단위가 후방 아이언 부분에 장착된 회전자 배열에 대한 플럭스 분포 패턴을 나타낸다. 상기 도면에서 자명한 바와 같이, 3 개 자석 배열에 대한 패턴은 2 개 분리 자석 배열에 비해 향상되며, 이들 두 배열의 패턴은 자기 후방 아이언 요소의 첨가로 향상된다.

본 명세서에서는 본 발명의 바람직한 구현예와 그 다양성의 일부 예만을 나타내고 설명한다. 본 발명은 다양한 다른 조합 및 환경에서 이용할 수 있고, 본원에 표현된 발명의 개념 범위 내에서 변화 또는 변경이 가능함이 이해되어야 한다. 예를 들어, 인지될 바와 같이, 본 발명의 모터는 차량 구동에 부가하여 광범위한 적용에서 이용될 수 있다. 차량 구동의 실시에 있어서 회전자가 고정자를 둘러싸는 것이 바람직하지만, 고정자가 회전자를 둘러싸는 다른 적용도 유리한 용도를 찾을 수 있다. 따라서, 각각의 내부 및 외부 환형 멤버가 고정자 또는 회전자를 포함할 수 있고, 전자석 그룹 또는 영구 자석 그룹을 포함할 수 있는 것은 본 발명의 범위 내이다.

고정자 코어 요소의 특정한 기하형태 배열이 예시되었으나, 분말 금속 기술을 이용해 실제로 모든 모양으로 형성될 수 있으므로 본원에서의 발명의 개념이 상기 배열의 다양한 변형을 포함하는 것이 인지되어야 한다. 따라서, 특정한 코어 배열을 원하는 플럭스 분포로 맞춤할 수 있다.

또한 고정자 및 회전자 극 표면 사이의 다양한 극 표면적 및 공간 상관관계는 원하는 작동 기능성에 따라 변하게 된다. 예를 들어, 요소 및 요소 표면적 사이의 공간은 균일할 필요는 없다. 상술된 다양한 구현예에 있어서, 다양한 회전자 자석은 나타낸 것보다 서로 더 분리되거나, 또는 반대로 서로 접촉하여 형성될 수 있다. 도 5a 및 5b 의 3 개 자석 축 단위 배열에 있어서, 자기 단위는 적절한 함입 자기 패턴을 갖는 단일 통합 자기 블록으로 제작될 수 있다.

본 발명의 상기 설명에서 인식될 수 있는 바와 같이, 고정자 극의 전체 수, 및 이에 따른 강자성 물질, 권선 캐패시티 및 영구 자석의 수는 모든 고정자 및 회전자 극이 회전 축 주위에 원주상으로 위치하고 축 방향으로 동연하는 기계에 비해 유의미하게 증가된다. 본 발명에서 축 방향을 따른 고정자 및 회전자 극 사이의 방사상 플럭스 분포 상호작용의 삼차원적 연장은 고전력 요건에 부합하는 상당한 이점을 제공한다. 본 발명은 모터 구동 적용과 관련해 상술되었지만, 설명된 삼차원적 배열은 발전에 상당한 이득을 제공한다. 하나의 이러한 적용은, 예를 들어 풍력 제너레이터이다.

도 7 은 제너레이터 (100) 의 단면에서 본 모식도이다. 도 1~3 의 기계 배열과 유사하게, 고정자는 투자성 물질로 제조되고 서로 직접적 접촉으로부터 단리된 복수의 강자기적으로 단리된 코어 절편 (32) 을 포함한다. 권선 (34) 은 개별 코어 절편의 극 상에 형성되어 나타난다. 고정자 코어 절편은 말단부 (42) 를 갖는 비자기적 원통상 지지 구조 (41) 주위에서 원주상으로 서로 떨어져 있다. 코어 절편은 임의의 종래 방식으로 지지 구조에 부착될 수 있다. 지지 구조 (42) 는 축 (44) 에 고정되며, 이는 풍력 제너레이터 탑의 최상부에 장착될 수 있다. 냉각 핀 (56) 은 고정자 지지 구조의 내부 내에 포함될 수 있다.

회전자 하우징 (50) 은 이들의 각 말단에서 베어링 (52) 을 통해 고정자 지 지 구조 (41) 주위로 회전하기 위해 저널링한다. 도 4A-5B 에 보다 구체적으로 나타낸 바와 유사한 배열로, 회전자 하우징의 방사상 주변의 내부 표면 상에는 후방 아이언 요소 (27) 및 영구 자석 (22) 이 장착된다. 회전자 하우징 (50) 의 외부상에는 윈드 블레이드 (60) 가 장착된다. 상기 블레이드는 임의의 종래 디자인일 수 있고, 따라서 단순히 일부 예로서 나타낸다. 균일하게 떨어져 있는 임의 수의 블레이드가 제공될 수 있다.

직접 구동 영구 자석 브러시리스 (brushless) 제너레이터로서의 상기 기계의 사용은 매우 간단하고 신뢰성있으며 비용 효과적으로 100 Kw 를 생산할 수 있는 것으로 나타났다. 대략 28 밀리옴 (mohms) 의 DC 위상 저항으로 고효율을 가지며 3 개 이상 위상의 고정자 권선에서 교류 전력을 발생시킬 수 있다. AC 전력은 적절한 가교 정류기로 정류되고 거의 전력 손실 없이 여과될 수 있다. DC 출력은 인버터로 공급되어 적절한 전압 및 주파수를 출력하도록 조절될 수 있다.

Claims (14)

1. 회전축 주위에 환형 고리 배열로 배치된 복수의 영구 자석 및 원통상 후방 플레이트를 포함하는 회전자, 후방 플레이트의 내부 환형 표면을 따라 자기 극성이 연속적으로 교대하는 자석 요소, 및 방사상 에어 갭에 의해 회전자로부터 떨어져 있는 고정자를 포함하는 회전형 역학-전기변환 제너레이터에 있어서,

   상기 고정자는 그 위에 권선된 개별 코일을 갖는 복수의 강자성 코어 절편을 포함하여 고정자 권선을 형성하며, 상기 코어 절편은 서로 직접적 접촉으로부터 분리되어 방사상 에어 갭을 따라 배치되고, 각각의 고정자 절편은 회전축에 평행인 방향으로 서로 정렬된 복수의 극을 포함하며, 이에 따라 상기 고정자는 복수 세트의 고정자 극을 포함하고, 상기 각 세트의 극은 방사상으로 정렬되며, 상기 복수 세트의 고정자 극은 서로 축방향으로 변위된 것을 특징으로 하는 회전형 역학-전기변환 제너레이터.
2. 제 1 항에 있어서,

   한 세트의 고정자 극이 에어 갭을 통해 대응 세트의 회전자 영구 자석과 방사상으로 정렬된 것을 특징으로 하는 회전형 역학-전기변환 제너레이터.
3. 제 2 항에 있어서,

   각 세트의 고정자 극이 대응 세트의 회전자 영구 자석과 방사상으로 정렬된 것을 특징으로 하는 회전형 역학-전기변환 제너레이터.
4. 제 3 항에 있어서,

   영구 자석의 각 세트의 자석이 남아있는 영구 자석 세트의 대응 영구 자석과 축방향으로 정렬되어, 서로 반대인 자기 극성을 갖는 인접 영구 자석의 축 단위를 형성하는 것을 특징으로 하는 회전형 역학-전기변환 제너레이터.
5. 제 4 항에 있어서,

   각각의 회전자 축방향 단위의 자석이 서로 분리된 것을 특징으로 하는 회전형 역학-전기변환 제너레이터.
6. 제 5 항에 있어서,

   각각의 회전자 축방향 단위가 축 방향으로 연장된 투자성 구획 (magnetically permeable section) 을 더 포함하고, 상기 단위의 각 자석이 투자성 구획에 장착된 것을 특징으로 하는 회전형 역학-전기변환 제너레이터.
7. 제 6 항에 있어서,

   모든 회전자 축방향 단위의 투자성 구획이 서로 구조적으로 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 회전형 역학-전기변환 제너레이터.
8. 제 5 항에 있어서,

   각각의 회전자 축방향 단위가 회전축과 동심인 비강자성 후방 플레이트에 부착된 것을 특징으로 하는 회전형 역학-전기변환 제너레이터.
9. 제 8 항에 있어서,

   회전자가 고정자를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 회전형 역학-전기변환 제너레이터.
10. 제 9 항에 있어서,

    회전자의 비강자성 후방 플레이트가 측면 플레이트와 일체가 되어 회전자 영구 자석 및 고정자 극의 세트를 둘러싼 하우징을 형성하고; 코어 절편이 부착되는 비강자성 지지 고정자 구조와, 회전자 하우징 및 고정자 지지 구조 사이에 끼워지는 하나 이상의 부싱을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전형 역학-전기변환 제너레이터.
11. 제 10 항에 있어서,

    회전자 하우징 상에 장착된 복수의 윈드 블레이드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전형 역학-전기변환 제너레이터.
12. 제 8 항에 있어서,

    복수의 회전자 축방향 단위가 후방 플레이트를 따라 서로 떨어져 있는 것을 특징으로 하는 회전형 역학-전기변환 제너레이터.
13. 회전축 주위에 환형 고리 배열로 배치된 복수의 영구 자석, 내부 환형 표면을 따라 자기 극성이 연속적으로 교대하는 자석을 포함하는 회전형 역학-전기변환 제너레이터에 있어서,

    각각의 회전자 영구 자석은 복수의 개별 축방향 단위로서 배열되며, 각 단위는, 회전축에 평행인 방향으로 서로 정렬된 복수의 자석을 포함하고, 각 단위의 인접 자석은 서로 반대 자기 극성을 가지며, 각각의 영구 자석은 내부 환형 표면에서 하나의 자기 극성을 및 외부 환형 표면에서 반대 자기 극성을 나타내어 자기 플럭스가 방사상 방향으로 지향되는 것을 특징으로 하는 회전형 역학-전기변환 제너레이터.
14. 제 13 항에 있어서,

    각각의 회전자 축방향 단위가 축 방향으로 연장하는 투자성 구획을 더 포함하고, 개별 단위의 각 자석이 상기 투자성 구획에 장착되어 플럭스 분포가 증강되는 것을 특징으로 하는 회전형 역학-전기변환 제너레이터.

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